Створення стабільних високочастотних пристроїв радіохвильового неруйнівного контролю матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 529.786+621.317.76.089.68

Створення стабільних високочастотних пристроїв радіохвильового неруйнівного контролю матеріалів

Спеціальність 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кравченко Поліна Олександрівна

Харків 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському державному технічному університеті сільського господарства Міністерства аграрної політики України.

Захист відбудеться “7” вересня 2000 р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.09 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 61002, Україна. М.Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий “27” червня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

АНОТАЦІЇ

Кравченко Поліна Олександрівна. Створення стабільних високочастотних пристроїв радіохвильового неруйнівного контролю матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю та визначення складу речовин. - Харківський державний політехнічний університет. - Харків, 2000.

Дисертація присвячена проблемі створення апаратури контролю і впливу в вигляді спеціалізованих технічних засобів з високими характеристиками точності. Проведений комплекс теоретичних досліджень, що дозволив намітити шляхи створення таких приладів, розробити вимоги до побудови оптимальної структури приладів контролю і випромінювання з високими характеристиками точності, проведено теоретичний розгляд передачі еталонних сигналів частоти з радіодіапазона у діапазон КВЧ, що дозволило реалізувати спеціалізований пристрій зі стабілізацією частоти вихідного сигналу.

Результати досліджень впроваджені як в промисловість (АО “Меридіан” ім. С. П. Корольова (м.Київ), АТ Науково-дослідний інститут радіовимірювань (м. Харків), так і в сільське господарство (КСП “Мрія” Волчанського району Харківської області). Проведена атестація створеної апаратури.

Ключові слова: нестабільність частоти, спектральна густина потужності флуктуаций частоти (фази) СГПФЧ, пшениця, імаго, хрущак, кільчатий шовкопряд, мегагерць, гігагерць, похибка, помножувач частоти, коефіціент множення.

Cravchenko Polina Alexandrovna. Creation of stable high frequency devices of a radiowave nondestructive examination of stuffs. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.11.13 - devices and methods of the control and determination of a structure of materials. - Kharkov state polytechnic universitu, Kharkov, 2000.

The thesis is dedicated to a problem of a supervisory equipment and effect by the way of specialized means with high exectitude specifications. The complex of the analytical investigations which have permitted to schedule a paths of creation of such devices is conducted to elaborate the requirements to construction of optimum structure of supervisory circuits and radiation with high in chracteristies, the theoretical consideration of transmission (transfer) of standard signals of frequency from a radio- frequency range Very high freguencies is conducted, that has alloweg to realise the specialized devise with a frequency stabilizotion of an output signal.

The results of researches are inserted as in an industry (joint-stock company “Meridian” named after S.P.Korolyoff (Kiev), joint-stock company research institute of radiomeasurements (Kharkov), and in an agriculture (a collective agriculture enterprise “Mrya” of the Volthansky region of the Kharkov district region of the Kharkov area).

Keywords: a frequency instability, spectral concentration of power of fluctuations of frequency (phase), wheat, imago, Tenebrio molitor, Malacosma neustria, megaherz, gigaherz, errots, frequency multiplier, production coefficient.

Кравченко Полина Александровна. Создание стабильных высокочастотных устройств радиоволнового неразрушающего контроля материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля и определение состава веществ. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 2000.

Диссертация посвящена проблеме создания аппаратуры контроля и воздействия в виде специализированных технических средств с высокими точностными характеристиками. Проведен комплекс теоретических исследований, позволивший наметить пути создания таких устройств, разработать требования к построению оптимальной структуры устройств контроля и излучения с высокими точностными характеристиками, предложена методика определения среднеквадратической оценки погрешности в зависимости от числа измерений, уточняющих каждым последующим измерением предыдущее и позволяющая получить состоятельные и несмещенные оценки при малом числе наблюдений, получено теоретическое решение задачи взаимодействия ЭМИ КВЧ диапазона со структурами разной добротности при высокочастотной модуляции, проведено теоретическое рассмотрение передачи эталонных сигналов частоты из радиодиапазона в диапазон КВЧ, что позволило реализовать специализированное устройство со стабилизацией частоты выходного сигнала.

Тщательное рассмотрение ряда источников позволило сделать вывод о том, что при создании таких устройств контроля и облучения доминирующим фактором, ухудшающим его характеристики, является умножитель частоты с оптимальными характеристиками, теоретические вопросы создания которого были подробно рассмотрены.

Показано, что искажения аргумента спектральной плотности нечетной составляющей помех максимальны при симметричной форме импульса. Выведены общие соотношения, позволяющие оценить степень подавления помех.

Впервые выведены выражения для расчета подавления модуляции эквивалентного сигнала. Решены вопросы оптимального распределения коэффициентов умножения между каскадами, разработана методика расчета УЧ с предельными характеристиками.

Представлены результаты разработки, изготовления и исследования как узлов и элементов, так и приборов контроля и испытания. В ходе проведения работ были созданы генераторы, работающие в диапазонах частот 26-41 ГГц; 40-45 ГГц; 45-52 ГГц.

Представлены результаты исследования влияния КВЧ излучения на биологические системы для повышения урожайности, в качестве которых используются семена пшеницы сорта “Ахтырчанка” и для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, в качестве которых используется мучной хрущак и гусеницы кольчатого шелкопряда.

В опыте с пшеницей, посевные качества которой определялись по соответствующим ГОСТам, семена обрабатывались КВЧ излучением на частоте 51,6 ГГц, густота посева выбиралась из расчета 4,7 млн.штук на гектар, семена высевались на делянках площадью 1 м2, повторность четырехкратная. Уход за посевами проводился согласно общепринятым требованиям. Урожай убирали вручную, обмолачивали каждый вариант отдельно. Достоверность полученных результатов определялась с использованием метода дисперсионного анализа. Увеличение всхожести по сравнению с контрольным вариантом составило 8-11 %; выживаемость возросла на 5-9 %; а урожай увеличился на 23-26 %.

С 1995 по 1997 гг. источники КВЧ излучения с нестабильностью частоты 10-8 были использованы в ряде хозяйств Харьковской области. Прибавка урожая пшеницы составила в среднем 4 ц/га, а применение ЭМП для уничтожения сельскохозяйственных вредителей (мучной хрущак и кольчатый шелкопряд) позволило получить экономическую прибыль в размере 72 тыс. грн.. Проверка хлебопекарных качеств зерна пшеницы сорта “Ахтырчанка” показала преимущества облученного варианта в сравнении с контролем. Разработан также прибор оперативного контроля диэлектрической проницаемости семян пшеницы.

Результаты исследований внедрены как в промышленность (АО “Меридиан” им.С.П.Королева (г.Киев), АО Научно-исследовательский институт радиоизмерений (АО НИИРИ) (г.Харьков), так и в сельское хозяйство (КСП “Мрия” Волчанского района Харьковской области).

Проведена аттестация созданной аппаратуры.

Ключевые слова: нестабильность частоты, спектральная плотность мощности флуктуаций частоты (фазы) СПМФЧ, пшеница, имаго, хрущак, кольчатый шелкопряд, мегагерц, гигагерц, погрешности, умножитель частоты, коэффициент умножения.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Електричні і електромагнітні явища не просто супроводжують життєві процеси, але складають їх суттєвість. У ряді робіт запропоновано механізм впливу слабкого, нетеплового, електромагнітного випромінювання (ЕМВ) на живі організми, обгрунтованого на уявленні про електромеханічний характер автоколивань клітинних субструктур як природного стану живих клітин. Там же вказано на резонансний характер впливу ЕМП, тобто біологічний ефект спостерігається у вузьких частотних інтервалах, причому вплив ЕМП на живі організми носить не енергетичний, а інформаційний характер, при цьому первинна дія ЕМП реалізується на клітинному рівні і пов'язана з біоструктурами, загальними для різних організмів. Теоретично і експериментально доведено можливість застосування надвисокочастотного (НВЧ) і крайвисокочастотного (КВЧ) випромінювання у сільському господарстві для збільшення врожайності, боротьби із шкідниками сільськогосподарського виробництва і т.д.; в медицині - для лікування онкологічних захворювань і ряду інших хвороб.

Добротність біологічних структур є достатньо високою, тому для впливу на біологічні об'єкти і контролю за їхнім станом необхідні високостабільні джерела КВЧ коливань. Однак серійна апаратура, що випускається, не задовільняє висунутим вимогам. Таким чином, надзвичайно актуальною є завдання по створенню апаратури впливу і контролю у вигляді спеціалізованих джерел коливань НВЧ - КВЧ диапазонів з високою когерентністю вихідного сигналу. Одним із основних елементів таких джерел є помножувачі частоти, оптимальна побудова яких вимагає доробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась у відповідності з Державною науковою програмою 3.12 “Энерго- и ресурсосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве”, тематикою міжвузівських наукових і науково-технічних програм за пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки (Наказ Міністерства освіти України № 37 від 13.02.96 р., п.2) і планом НДР Харківського державного технічного університету сільського господарства.

1. Загальноукраїнська науково-технічна програма на 1991-1995 рр. “Развитие исследований и использование СВЧ энергии в АПК страны”.

2. Постанова Кабінету Міністрів України від 22.06.1994 р.№ 429 “О реализации приоритетных направлений развития науки и техники” (пункт 3 “Производство, переработка и сохранность сельскохозяйственной продукции”).

3. Науково-технічна програма Миністерства Агропромислового комплексу України від 30.02.1998 р. № 339 “Научно-исследовательские и исследовательско-конструкторские разработки”.

4. Плани НДР і НКР “Урожай” № 52-83 (розділ по розробці апаратури контролю за станом біологічних об'єктів), “Розробка і створення технічних засобів для дослідження електрофізичних властивостей рідких і твердих матеріалів у НВЧ діапазоні” ( інв. № 0288.0036354 ), “Розробка методів і засобів контролю впливу фізичних факторів на біологічні об'єкти” (тема “ЭКОС”, держ.замовлення встановлено рішенням Державного комітету Ради Міністрів СРСР №330 від 1.12.90 р., генеральний договір №421/1391 від 29.05.91 р. із в/ч 7796).

Мета і задачі дослідження.

Метою дослідження є створення стабільного високочастотного обладнання радіохвильового неруйнівного контролю матеріалів (пшеничні і бобові культури і т.д.), та шкідники сільськогосподарського виробництва у вигляді спеціалізованих джерел КВЧ випромінювання, з дискретним перестроюванням, що використовуються для оцінки впливу електромагнітного випромінювання на біологічні структури у сільськогосподарському виробництві, медицині і т.д. Стан питання і мета роботи визначає наступне коло завдань, які потрібно вирішити:

- теоретична розробка вимог до побудови оптимальної структури джерел КВЧ випромінювання і контролю з високими характеристиками точності;

- теоретична розробка методики розрахунку помножувача частоти з граничними характеристиками точності;

- теоретичне обгрунтування нового методу визначення середньо-квадратичної похибки у залежності від числа вимірювань, які уточнюють кожне наступне вимірювання попереднім і дозволяють одержувати переконливі і незміщені оцінки при малій кількості спостережень;

- проведення теоретичного розгляду взаємодії розсіювання електро-магнітного випромінювання КВЧ діапазону на структурах з різною добротністю і високою частотою модуляції;

- розробка і створення спеціалізованих джерел КВЧ випромінювання і контролю з високими характеристиками точності;

- проведення експериментальних досліджень з використанням створеної апаратури для впливу і контролю, спрямованих на підвищення врожайності пшениці і пригнічення шкідників.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що :

1. Проведено обгрунтування і розроблені вимоги до побудови оптимальної структури приладів впливу і контролю з високими точнісними характеристиками.

2. Проведено теоретичний розгляд принципів побудови оптимальних помножувачів частоти з реалізацією методики їх розрахунків з граничними характеристиками точності;

3. Розглянуто новий метод визначення середньоквадратичної оцінки похибки від числа вимірювань, які уточнюють кожне наступне вимірювання попереднім і дозволяють одержувати переконливі і незміщені оцінки при малій кількості спостережень.

4. Отримано теоретичне рішення взаємодії електромагнітного випромінювання КВЧ діапазона із структурами різної добротності, високочастотною модуляцією і різною девіацією.

5. Проведено теоретичний розгляд передачі еталонних сигналів у діапазоні КВЧ, який дозволив створити спеціалізовані технічні засоби впливу і контролю з високими характеристиками точності.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає у тому, що розроблено і створено прилади опромінення і контролю з високими характеристиками точності (нестабільність частоти ? 10-9 - 10-12 ), застосування яких у сільському господарстві дозволяє суттєво (на 18-30 %) підвищити врожайність зернових (пшениця, ячмінь, просо, бобові і т.д.) та підвищити інтенсивність боротьби із сільськогосподарськими шкідниками.

Результати дисертаційної роботи було впроваджено у наукових розробках кафедри і в ряді сільськогосподарських підприємств Харківської області.

Особистий внесок здобувача до результатів роботи полягає у наступному:

- розроблено вимоги до створюваних спеціалізованих приладів контролю з оптимальними характеристиками;

- використовуючи метод інтеграла Дюамеля при рішенні диференційного рівняння другого порядку для коливального контура, було розглянуто питання взаємодії електромагнітного поля з високодобротною системою як при повільній, так і при швидкій модуляціїї, тобто проведено моделювання взаємодії ЕМП з біологічною системою;

- проведено структурний аналіз спеціалізованого генератора для контролю стану біологічних об'єктів;

- запропоновано і розроблено методику оцінки результатів спостережень та їх похибок при малому числі спостережень і уточнення результатів при зростанні числа спостережень;

- вперше встановлено критерії форми імпульсу, які оцінюються на підставі співвідношення парних і непарних складових, та нелінійні характеристики при перемноженні частоти. Показано, що спотворення аргументу спектральної густини непарної складової завади максимальні при симетричній формі імпульсу;

- виведено співвідношення для розрахунку пригнічення модуляції еквівалентного сигналу;

- виведено співвідношення для розрахунку комплексної обвідної при формуванні сигналу системою із m-незалежних поодиноких контурів;

- розглянуто і вирішено питання розрахунку прецизійних помножувачів, запропоновано метод вибору оптимального кута відсічки та результати розрахунків заборонених кутів відсічки;

- проведено експериментальні дослідження як створених помножувачів частоти, так і створених за їх базою спеціалізованих генераторів;

- розроблено методику розрахунку помножувачів частоти;

- проведено дослідження впливу КВЧ випромінювання на різноманітні біологічні системи (пшениця “Охтирчанка”, мучний хрущак, тутовий шовкопряд і т.д.).

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи обговорювались і одержали позитивну оцінку на таких конференціях: II Всесоюзній науково-технічній конференції “Измерение параметров, формы и спектра радиотехнических сигналов” (Харьков,1989 г.); II Всесоюзній науково-технічній конференції “Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик лазеров” (Харьков, 1990 г.); Міжнародній науково-технічній конференції “Технический прогресс в сельскохозяйственном производстве” (Глеваха,1998 г.); науково-практичній конференції ХДТУСГ ( Харків,1999 р.); Aсtual Problems of Measuring Technique “Measurement-98”, Proceedings of the International Conference (Kyiv, 1998); XXУ1-th General Assembly, IWTERNATIONAL UNION OF RADIO SCIENCE, University of Toronto (Canada, August 13-21,1999); II Міжнародній конференції “Метрологія та вимірювальна техніка”(Харків,1999).

Публікації. Основні результати роботи викладено у 12 публікаціях, з них: 4 статті в наукових журналах, 4 статті в збірниках наукових праць і 4 матеріали в працях Міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновку, списку літератури та додатків. Вона включає 242 сторінки (145 стор.основного тексту), 51 рисунок, 19 таблиць, список джерел літератури нараховує 126 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі на підставі аналізу літературних даних показано, що вплив зовнішніх низькоенергетичних КВЧ випромінювань на біологічні структури пов'язаний з тим, що на певних резонансних частотах, які поступають зовні, ці сигнали імітують сигнали управління. Відзначається резонансний характер взаємодії ЕМП із живими організмами (біологічними системами), а оцінювана добротність біологічних систем складає ?(103-105) у діапазоні (30-80)ГГц.

Доведено, що запам'ятовуюча дія КВЧ зберігається довгий час після припинення впливу виникаючих змін у функціонуванні організму, настає лише у тих випадках, коли опромінення продовжувалось достатньо довго: від декількох десятків хвилин до декількох годин через високу нестабільність частоти використовуваних джерел.

Як видно з результатів розгляду генераторів НВЧ і КВЧ діапазонів, які випускаються промисловістю, відносна нестабільність їх вихідної частоти складає ? (10-3 - 10-4). Досвід роботи з такими джерелами показує, що найбільші флуктуації несучої частоти відбуваються з частотою

50 Гц (частота мережі). Слід відзначити, що при використанні повільної зміни частоти будуть відбуватися також зміни, пов'язані із власною нестабільністю, тобто будуть домінувати швидкі зміни (50-100)Гц і час взаємодії складає ? (10-3 - 10-4 с), що при достатньо вузькій лінії через нестабільність частоти фактичний час взаємодії зменшується на декілька порядків. Також необхідно відзначити, що для вузької лінії швидке проходження контура лінії частотою приводить до зміщення контура та зменшення часу взаємодії. Із розгляду постає, що опромінення біологічних об'єктів для їхнього контролю необхідно проводити ЕМП, в якості джерел якого використовують стабільні і високостабільні генератори монохроматичних коливань КВЧ діапазонів, які дозволяють здійснити точну (10-3-10-4 ширини лінії) настройку на контур лінії біологічного об'єкта, що є можливим за нестабільності ?10-8-10-12 та забезпечить повну (? 95%) передачу енергії опромінення біологічній структурі і зменшити час впливу на декілька порядків.

Таким чином, інтенсивне використання КВЧ випромінювання у народному господарстві, медицині, біології, сільському господарстві і ін. можливе при створенні спеціалізованих стабільних і високостабільних джерел за малої дискретності перестройки частоти.

В літературі також показано, що резонансний вплив монохроматичного КВЧ випромінювання на структури організму людини приводить до купірування впливу радіаційного випромінювання, що також є підтвердженням актуальності проведення робіт.

Вказано, що вплив КВЧ випромінювання на біологічні структури може носити як позитивний, так і негативний характер, причому ці впливи носять багатофакторний характер, при цьому деякі з них контролюються слабко. Їх зміна (факторів) має, в основному, флуктуаційний характер, і вплив є комплексним, тобто контроль окремих параметрів не дозволяє провести оцінку комплексного впливу ЕМП на біологічні структури, тобто необхідно здійснити комплексний контроль із застосуванням дослідного обладнання, в склад якого входять високостабільні джерела КВЧ коливань.

Аналіз генераторів, які випускаються промисловістю, як у нашій країні, так і за її межами, показує, що за своїми характеристиками точності вони не можуть ефективно використовуватися для впливу на біологічні системи.

В роботі вперше вирішено задачу взаємодії біологічних систем (селективного кола) із швидко змінюючою КВЧ частотою.

Показано, що коли на коливальний контур з резонансною частотою і шириною смуги пропускання подається сигнал , то рівняння відгуку на дію сигналу має вигляд:

, (1)

де

- несуча частота сигналу;

- лінійний систематичний зсув фази;

- модулююча частота;

- девіація частоти.

Рішення рівняння (1) через , комплексну функцію помилок, можна записати:

. (2)

Графіки, що характеризують взаємодію частоти з біологічною системою, наведено на рис.1.

Розроблені вимоги до джерела коливань наведено у таблиці 1 для різних добротностей біооб'єктів.

крайвисокочастотний випромінювання точність

Таблиця 1

NN	Q	F, Гц	Відносна нестабільність (середнєкв. значення)
пп		контура	для 10-2 ширини лінії	для 10-3 ширини лінії
1 2 3 4	105 104 103 102	25?104 25?105 25?106 25?107	1,5?10-8 1,5?10-9 1,5?10-6 1,5?10-5	1,5?10-9 1,5?10-8 1,510-7 1,5?10-6

Задача передачі еталонних сигналів частоти від еталонного генератора в діапазон КВЧ вирішується помноженням частоти з використанням систем фазової автопідстройки частоти (ФАПЧ). При прямому помноженні частоти у N разів потужність бічних частот сигналу, який помножується, виростає у N2 разів, тобто при великих коефіцієнтах помноження вся потужність сигналу переходить до п'єдесталу.

Розглянемо шляхи створення стабілізованого джерела з характеристиками, наведеними у таблиці 1.

Протиріччя системи ФАПЧ полягає у тому, що при вузькосмуговому ФНЧ, необхідному для фільтрації зовнішньої завади, звужується смуга схоплювання, а це у більшості випадків недопустимо, тобто має бути необхідна оптимізація відношення сигнал/шум на виході системи.

До числа оптимізованих параметрів СГ можна віднести число кілець ФАПЧ, коефіцієнти множення проміжних кілець, смуги утримування кілець ФАПЧ.

Спектральна густина потужності флуктуацій частоти (СГПФЧ) у найбільш простій однокільцевій системі (рис.2) визначається:

, (3)

де N - коефіцієнт множення помножувача;

Псо-смуга синхронізації кільця ФАПЧ.

Обмежимось обліком власних шумів генератора, який стабілізується (СГ), еталонного генератора (ЕГ) і помножувача частоти ( ПЧ ).

Із (3) видно, що ПЧ може вносити домінуючу нестабільність. Результати розрахунку однокільцевої схеми наведено у таблиці 2.

Таблиця 2

Оптимальні характеристики
	0,355 (-4,49 дБ)

Звідси виходить, що схема (рис.2) не може бути використованою. Надалі розглядається двокільцева схема (рис.3). СГПФЧ на виході системи визначається виразом:

, (4)

;. (5)

Результати розрахунків наведено у таблиці 3, із яких видно, що двокільцева система стабілізації КВЧ джерела є більш доцільною і може бути застосована для поставлених цілей.

Таблиця 3

				100 с
	200	4	90,9	6,0.10-14

Необхідність скорочення часу спостережень, тобто скорочення числа вимірювань, привела до необхідності створення нової методики обробки результатів спостережень, при якій оцінка вимірюваної величини, одержаної із довільно реального числа вимірювань, може бути уточненою кожним наступним вимірюванням.Вираз для визначення нової уточненої оцінки та його середньоквадратичної похибки можна одержати, використовуючи як метод найменших квадратів і середньоквадратичної похибки, так і метод густини ймовірності та очікуваного значення вимірюваної величини. При першому методі отримаємо вираз для визначення при відомому :

; , (6)

.

При другому методі, використовуючи методи теорії імовірності та оцінку Маркова, одержуємо:

; . (7)

Показано, що метод найменших квадратів дає меншу точність, ніж метод, який використовує густини імовірності.

У другому розділі закладено основи створення прецизійних помножувачів частоти, які є основним елементом спеціалізованих джерел коливань, які застосовуються як апаратура контролю. Фаза вихідного сигналу повинна бути наближеною до:

(8)

і формується в процесі перетворювань, які відбуваються в помножувачі. Вона являє собою функцію вхідного сигналу, завад, параметрів і режиму схеми. Функціонування найпростішої помножувальної комірки можна уявити у вигляді двох послідовних перетворювань сигналу - нелінійного і лінійного.

Традиційні методи розрахунку ПЧ, які базуються на застосуванні рядів Фур'є, не дозволяють урахувати специфічні ефекти, які виникають при помноженні частоти. Застосування до розрахунків багатокаскадних помножувачів часового методу при поданні на вхід періодичного сигналу дало плідні результати для визначення і реалізації оптимальних умов формування сигналу і фільтрації побічних частот.

При цьому формується послідовність імпульсів (рис.4). На рисунку зображено характерні точки довільного i -го імпульсу послідовності з К -импульсів та їхнє позначення у вибраній системі відліку. Кожному періодові вихідної частоти відповідає не більш за один імпульс.

Вираз для спектра можна поділити на два співмножника:

. (9)

Функція ФМ вхідного сигналу виділяється в окремий множник, а під знаком інтегралу маємо спектр імпульсу, коли ФМ відсутня.

Уводячи параметр, який характеризує зміщення середини імпульсу , імпульс можна зобразити у вигляді суми парної і непарної складової.

Приймаючи до уваги, що - аргумент спектральної густини за відсутністю завад, а ФМ на вході при відсутності завад зміщення середини імпульсу дорівнює нулю, отримуємо вираз для спотворень:

. (10)

Нами показано, що спотворення густини спектра відбуваються за рахунок парної і непарної складової завад.

Спотворення аргументу спектральної густини прямо переходять до спотворення фази вихідного сигналу, а швидкі зміни завад згладжуються вузькосмуговими приладами.

У третьому розділі розглядаються питання збудження коливального контура послідовністю імпульсів, сформованих у результаті нелінійного перетворювання із відсічкою. Реакцію лінійної системи на збудження сигналом визначимо із використанням теореми згортки і отримаємо обвідну , яка характеризується двома змінними - амплітудою і фазою. Тоді вираз для комплексної обвідної буде:

. (11)

Комплексна обвідна за формою збіжна зі спектральною густиною, але має інший смисл. Її модуль і аргумент є реальними елементами обвідного вихідного сигналу і застосовуються до розрахунків тимчасових співвідношень, пов'язаних із кількісною оцінкою процесів, які відбуваються в ПЧ. В дисертації відображено співпадання миттєвого (зваженого) спектра сигналу і комплексної обвідної коливання, збудженого цим же коливанням в поодинокому контурі, в такому вигляді:

. (12)

Для аналізу використовуються результати другого розділу. Ці результати одержано вперше.

Розглядається низка особистих випадків: 1. Умови спотворення передавання завад. 2. Пригнічення завад. 3. Загальний випадок передавання завад.

При цьому формула спотворення комплексної обвідної поширюється на оцінку залишкової модуляції вихідного сигналу. Тоді:

. (13)

В попередньому розділі було показано, що непарна складова завад менше парної.

Одержано вираз для системи формування у вигляді m-каскадного підсилювача для оцінки АМ і ФМ на виході i - каскадної ячійки:

. (14)

Також було розглянуто питання формування корисного сигналу в складному коливальному колі.Показано, що оптимальною формою імпульсу є симетрична форма, при якій парна складова завад не впливає на аргумент спектральної густини імпульсу за малої форми нелінійної характеристики.

У четвертому розділі розглянуто питання розрахунку ПЧ з оптимальними характеристиками. Визначено коефіцієнт кореляції між довільним імпульсом послідовності і ФМ коливанням, вважаючи що завади відсутні:

. (15)

Коефіцієнт кореляції (15) є мірою вмісту енергії корисного сигналу в імпульсові і може бути прийнятим як відправний пункт при обгрунтуванні вибору кута відсічки.

Кути відсічки, при яких вміст енергії гармоніки мають максимуми, відповідають екстремумам (15). Точки екстремумів легко визначаються і дорівнюють:

, (16)

де

На рис.5 наведено розподіл оптимальних і заборонених кутів відсічки, які були обчислені нами на ЕОМ для перших двадцяти гармонік.

Показано, що залежність фазових спотворень від кута відсічки визначається двома коефіцієнтами:

. (17)

Для зменшення фазових спотворень величини і повинні бути найменшими.

Показано, що пригнічення модуляції з періодичністю вхідного сигналу залежить від розподілу загального коефіцієнта помноження між каскадами, сформульовано умови раціонального розподілу помноження, дається методика оцінки модуляції вихідного сигналу.

Вираз для коефіцієнта пригнічення i- каскаду може бути записаний у такому вигляді:

. (18)

Одержано вираз для АМ вихідного сигналу вихідної частоти:

. (19)

Показано, що при малому числі каскадів порядок величини менший, ніж порядок , так як - мала величина. Але із збільшенням числа каскадів росте швидше, ніж . На практиці умови пригнічення виконуються для невеликого числа каскадів (2-3) і тому в задачах про пригнічення можна знехтувати ФМ першої гармоніки.

Також були вирішені питання оптимального розподілу коефіцієнтів помноження між каскадами, розроблено методику розрахунку ПЧ з граничними характеристиками.

У п'ятому розділі наведено результати розробки, виготовлення і дослідження як вузлів та елементів, так і приладів контролю та випробувань. Раніше були наведені методики розрахунків помножувачів частоти. За цими методиками було розроблено і виготовлено два ідентичних ПЧ, дослідження яких проводились з використанням спеціалізованого приладу типу Ч7-42, який виготовляється серійно.

Спектральна густина потужності флуктуацій фази (СГПФФ) ПЧ характеризує як фазовий спектр, так і нестабільність частоти. Результати вимірювання СГПФФ створеного ПЧ зображено на рис.6, а в таблиці 4 подано відносну нестабільність частоти. Отримані результати находяться на рівні зарубіжних.

Таблиця 4

Час вимірювання, c	10-3	10-2	10-1	100
?y	7?10-10	6?10-11	4?10-12	5?10-13

При вимірюванні нестабільності частоти приладом Ч7-42 використовувалась методика уточнення результатів кожним наступним спостереженням. Як видно із наведених результатів, проведені експериментальні оцінки добре підтверджують теоретичні розрахунки.

У ході проведення досліджень були створені генератори, які працюють у діапазоні частот 26-41 ГГц; 40-45 ГГц; 45-52 ГГц. Структурну схему одного із створених генераторів подано на рис.7. В наведеному приладі застосовується двокільцева система ФАПЧ з використанням генераторів із застосуванням резонатора, у якому використовується залізоітрієва перестройка частоти. Дискретність перестройки цього генератора складає 100 кГц. Зовнішній вигляд генератора наведено на рис.8. Структурна схема дослідження показана на рис.9. На рис.10 зображено нестабільність частоти за різні інтервали часу вимірювання генератора 26-41 ГГц, а на рис.11 наведено СГПФФ КВЧ. В разі необхідності передбачено можливість збільшення нестабільності частоти до 10-8. Розроблені ПЧ і генератори пройшли метрологічну атестацію в ХЦСМ Держстандарту України.

Наведено також результати досліджень КВЧ випромінювання на біологічні системи для підвищення врожайності, де використовувалось насіння пшениці сорту “Охтирчанка”, і для боротьби із сільськогосподарськими шкідниками, такими, як борошняний хрущак та гусениці кільчастого шовкопряду.

У досвіді з пшеницею, посівні якості якої визначались згідно ДСТУ, зерно оброблялось КВЧ випромінюванням на частоті 51,6 ГГц, густина посіву вибиралась із розрахунку 4,7 млн.шт. на гектар, зерно засівалось на ділянках площею 1м2, повторювалась 4 рази. Догляд за посівами проводився згідно загальноприйнятих умов. Врожай збирали вручну, обмолочували кожен варіант окремо. Достовірність отриманих результатів визначалась із використанням методу дисперсного аналізу. Збільшення схожості у порівнянні з контрольним варіантом складала 8-11%; виживання зросло на 5-9%, а врожай збільшився на 23-26%.

З 1995 по 1997 рр. джерела КВЧ випромінювання з нестабільністю частоти 10-8 використовувались в багатьох господарствах Харківської області. Надбавка врожаю пшениці склала в середньому 4 ц/га, а застосування ЕМП для знищення сільськогосподарських шкідників (мучний хрущак і кільчастий шовкопряд) (див.рис.12,13) дозволило одержати економічний прибуток у розмірі 72 тис.грн. Перевірка хлібопекарняних якостей зерна пшениці сорту “Охтирчанка” показала переваги опроміненого варіанту в порівнянні з контролем. Було також розроблено прилад оперативного контролю діелектричної проникності зерна пшениці, структурну схему якого зображено на рис.14.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Проведені у роботі дослідження дозволили одержати наступні основні результати:

1. Сформульовано основи розробки і створення високостабільних КВЧ джерел з метою використання їх у сільськогосподарському виробництві як для контролю, так і як випробувального обладнання. Сформульовано завдання визначення оптимальної структурної схеми КВЧ джерела.

2 Узагальнено і розвинуто теоретичні питання помноження частоти:

2.1. Проведені теоретичні дослідження дозволили вирішити задачі оптимального (за чистотою спектра) помноження частоти; проведено теоретичні дослідження амплітудної і фазової нестабільності частоти вихідного сигналу помножувачів; проаналізовано всі фактори, які впливають на характеристики помножувачів. Вказані шляхи оптимізації помножувачів. Встановлено міру оцінки впливу завад на спектр імпульсу, показано, що найбільшою небезпекою є парна складова завад, яка через особливості роботи помножувача значно більша за непарну складову.

2.2. Із проведеного аналізу нелінійного перетворення з відсічкою випливає, що фазова модуляція, яка утворюється через дію завад на помножувачі частоти, залежить від технічних причин, що підлягають обліку та впливу у процесі проектування і обробки помножувача, а саме, імпульсу за відсутності завад, форми нелінійної характеристики, вибору точки відсічки.

2.3. Вперше проведено розрахунки оптимальних і заборонених кутів відсічки на ЕОМ для перших двадцяти гармонік, отримано програму для їх розподілу.

2.4. Проведені теоричні дослідження дозволили закласти теоретичні основи розробки і створення помножувачів частоти, розробити оригінальні методи розрахунку високостабільних помножувачів частоти і створити помножувач з граничними для цього часу характеристиками точності.

Розроблену методику розрахунку помножувачів частоти впроваджено у ВАТ “Меридіан” ім. С.П. Корольова (м. Київ) і АО НДІРВ (м. Харків).

3. Проведені теоретичні і експериментальні дослідження дозволили створити як прилади контролю, так і випробувальне обладнання у вигляді високостабільних КВЧ джерел для використання у сільськогосподарському виробництві. За своїми точнісними характеристиками КВЧ джерела не поступаються зарубіжним, а за низкою параметрів їх перевищують.

4. Найбільш біологічною активністю по відношенню до шкідливих організмів сільськогосподарського виробництва володіють низькоенергетичні ЕМП КВЧ діапазону з нестабільністю частоти 10-9-10-10.

5. Створені прилади пройшли випробування у ряді сільськогосподарських підприємств Харківської області з метою підвищення врожайності, а також для боротьби із шкідниками сільськогосподарського виробництва, маючи позитивні результати. Підвищення врожайності пшениці сорту “Охтирчанка” складає 18-30%.

6. Проведені експериментальні дослідження підтвердили припущення про те, що при використанні високостабільних монохроматичних джерел КВЧ випромінювання суттєво покращується біологічний і економічний ефект.

7. Апаратура, створена на основі проведення теоретичних і експериментальних досліджень, широко використовується як для контролю, так і для випробувань інтегрального впливу КВЧ випромінювання на біологічні системи і знаходить широке застосування у сільськогосподарському виробництві.

8. Проведені дослідження дають можливість розпочати розробку спеціалізованих джерел КВЧ випромінювання і застосувати їх як випробувальне обладнання та засоби контролю як в промисловості, так і в сільськогосподарському виробництві.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Клейман А.С., Левенберг А.И., Сидоренко Г.С., Катков А.А., Романько В.Н., Кравченко П.А. Стандарт частоты и времени рубидиевый: создание, исследование и применение // Український метрологічний журнал, 1998, № 3, с.16-20.

Здобувачем зроблено розрахунок та дослідження характеристик помножувача частоти.

2. Клейман А.С., Левенберг А.И., Сидоренко Г.С., Катков А.А., Романько В.Н., Кравченко П.А. Стандарт частоты и времени рубидиевый: создание, исследование и применение // Український метрологічний журнал, 1998, № 3, с.23-25.

Автор прийняв участь у дослідженнях апаратури.

3. Клейман А.С., Кучин Л.Ф., Кравченко П.А., Черенков А.Д. Некоторые вопросы создания и применения широкодиапазонных КВЧ источников колебаний // Український метрологічний журнал, 1999, № 2, с.19-21.

Автором розглянута методика створення широкосмугового генератора в діапазоні НВЧ, вивід співвідношення взаємодії частоти з добротністю структури. Проведений експеримент по взаємодії НВЧ випромінювання з біологічними об'єктами (пшениця сорта “Охтирчанка”, борошняний хрущак), проведення та обробка результатів експеримента.

4. Клейман А.С., Сидоренко Г.С., Кравченко П.А., Кучин Л.Ф. Некоторые вопросы передачи эталонных сигналов в диапазоне СВЧ // Український метрологічний журнал, 1998, № 4, с. 20-23.

Здобувачем отримані основні співвідношення при передачі еталонного сигнала частоти в НВЧ діапазоні. Одержані формули оцінки фазових шумів ряда каскадів множення.

5. Клейман А.С., Кравченко П.А., Кучин Л.Ф., Черенков А.Д. Умножение частоты // Вестник Харьковского государственного политехнического университета, вып.56. - Харьков, 1999, с. 99-108.

Автором розглянуті питання помноження частоти, розрахунку помножувачів, отримання оптимальних помножувачів частоти, методика розрахунку елементів помножувачів частоти.

6. Свергун Ю.Ф.,Черенков А.Д.,Кравченко П.А. Создание специализированного КВЧ источника колебаний для биомагнитологии // Збірн.наук.праць “Питання електрифікації сільського господарства”.- Харків: ХДТУСГ.- 1999.- С.89-96.

Здобувачем проведено розрахунок та вибір оптимальних характеристик та структури побудови генераторів, їх дослідження, а також дослідження вплива НВЧ випромінювання на біологічні об'єкти.

7. Кучин Л.Ф., Кравченко П.А. Создание высокостабильных умножителей частоты.- Сб.науч.тр. / Методы и средства метрологического обеспечения измерений частотных характеристик лазеров.- Харьков, 1991, с. 134-138.

Автором вирішена задача оптимальної побудови помножувача частоти, визначені фазові спотворення и їх мінімізація від кута відсічки. Проведено розрахунок максимального подавлення модуляції.

8. Кучин Л.Ф., Кравченко П.А. Проектирование умножителей частоты с оптимальными характеристиками.- Сб.науч.тр. / Методы и средства метрологического обеспечения измерений частотных характеристик лазеров.- Харьков, 1991, с. 139-141.

Здобувачем запропонована нова структурна схема множення частот, проведено її теоретичне обгрунтування і розрахунок.

9. Клейман А.С., Кравченко П.А., Кучин Л.Ф., Черенков А.Д., Свергун Ю.Ф.. Широкодиапазонный источник КВЧ колебаний для применения в биоэлектромагнитологии. - II Мiжнародна н.-т. конференцiя "Метрологiя та вимiрювальна технiка". Науковi працi конференцiї. Т.1, Харкiв, 1999, с. 118-121.

Автором розглянута методика створення широкосмугового генератора в діапазоні НВЧ та проведено експеримент по дослідженню.

10. Клейман А.С., Кравченко П.А., Таламанов С.А. Оценка статистических характеристик при разных законах распределения погрешностей. - II Мiжнародна н.-т. конференцiя "Метрологiя та вимiрювальна технiка". Науковi працi конференцiї. Т.1, Харкiв, 1999, с. 105-107.

Автором проведено теоретичне обгрунтування оцінки статистичних характеристик.

11. Kleyman A.S., Kravchenko P.A., Talamanov S.A., Usenko T.A. // Aсtual Problems of Measuring Technique “Measurement-98”. Proceedings of the International Conference.- Kyiv: NTUU “KPI”, AUS DAAD, 1998. - Р.228-230.

Розглянуто питання оцінки результатів спостережень при похибках, закон розподілення яких відрязняється від нормального, та оцінки результатів вимірів та середньоквадратичної похибки при уточненні попередніх результатів слідуючими.

12. XXУ1-th General Assembly, IWTERNATIONAL UNION OF RADIO SCIENCE, University of Toronto.- Canada, August 13-21, 1999.

Здобувачем проведена оцінка характеристик похибок та їх теоретичне обгрунтування.

Размещено на Allbest.ru

...